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舞臺機械設備電器設計組成
舞臺設備電器控制回路一般由各種安全保護單元(如限位、亂繩、超載、超速、安全急停鏈路)、位置測量單元(如編碼器、減速開關、行程開關)、控制電路(如各種繼電器、PLC輸入輸出模塊)、驅動單元(如變頻器、交流接觸器)和執行單元(如三相異步鼠籠電機、伺服電機)組成,并通過以上電器環節的共同作用控制設備運動。國內舞臺設備按控制方式包括常規定速控制和調速定位控制。
1常規定速控制
常規定速控制——通過PLC起停輸出、設備的行程開關、保護開關、繼電器組成的中間回路控制對應的三相電源的相序通斷,從而達到直接控制電機的正反向運動,如舞臺各種插銷、安全網、升降欄桿、安全門。該方式廣泛應用在對時間要求不高的舞臺設備硬件設計上,對于在運動過程中有位置需求但定位要求不高的設備(如燈光吊籠、假臺口側片、燈光渡橋)來說,該方式并不能滿足要求。從設計經濟、硬件便捷的角度,通常在常規電機傳動軸上加裝軸套型增量編碼器,將編碼器信號接入具有位置采集功能的模板(如西門子編碼器模塊FM350),同時,在硬件選型時根據模板的采樣頻率和電機轉速確定所選編碼器的每圈脈沖值。采集的位置信號經過現場總線傳送到中央處理器中,和預設的目標位置做比較,決定設備是否到位停止運行。在實際的硬件設計中,為了能及時響應到位置信號,需把采集模板的實際輸出值串入控制電機正反轉回路。考慮到常規定速控制設計中不具備調速功能,電機高速運動過程中收到停止信號后制動運行較長,影響設備控制精度,在應用中要根據設備實際制動距離,在軟件調試中加入制動停止提前長度來修正設備停止響應距離,從而提高設備實際到位精度。
2調速定位控制
調速定位控制——常規電機帶有編碼器,編碼器接入具有位置控制功能的高性能交流矢量變頻器,變頻器通過本身的內置位置控制卡計算電機運行的實時位置和給定目標位置的差值,通過PID調節輸出對應的頻率和電壓控制電機運轉速度,中央處理器通過總線通訊方式比較變頻器傳回來的位置、狀態特性,并根據變頻器窗口到位值實現對所控設備的速度、位置精確控制,控制電路如圖3所示。使用調速定位控制,降低了對機械設備的沖擊,提高了設備的安全性和可靠性。因此,在國內中、大型劇場中,該控制方式是控制吊桿、升降臺、車臺等機械設備的主流方案。調速定位按控制電路功能一般可分為一對一控制和矩陣切換控制。對于前者,每個設備都是一個控制單元,控制電路結構相對簡單,每個變頻器的總線狀態真實反應設備實際情況。由于只考慮單獨控制回路,現場調試成本較小,出現故障排查相對容易,系統后期維護人工成本較小,但如果控制單元的任何器件發生故障,則直接影響調速設備運行,同時對于電器元件、變頻器的成本支出較高。對于后者,由于采用繼電器矩陣切換,控制回路采用冗余備份方式,每個調速設備在選定之前不對應固定變頻器,如果某一個控制單元出現問題影響吊桿運行,通過切換矩陣的及時調整可以規避出現故障的控制單元,從而使設備更可靠地運行,提高了整個系統的風險抵御能力。同時,采用切換方式,節省了變頻器數量,降低了電器成本支出。但這種控制方式電路結構復雜,軟件互鎖要求較高,一旦出現故障,排查和維護較繁瑣。通常來說,臺上調速吊桿采用切換矩陣方式,臺下調速設備采用一對一控制方式。這主要是因為各種類型的吊桿大多功率在30kW以內,且功率較為相近,實際舞臺演藝中同時運動的較多吊桿數遠遠小于總吊桿數,故采用切換方式。而臺下升降類設備在演出時載有大量演員,功率較大,通常達到60kW以上,為了避免頻繁切換對用電回路的沖擊,并考慮到實際運行的安全性,故采取一對一方式。
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